موتورهای الکتریکی AC چگونه کار می کنند؟

موتورهای الکتریکی AC کار با استفاده از جریان متناوب برای تولید میدان مغناطیسی دوار، که نیرویی را به روتور القا می کند و باعث چرخش آن می شود. این اصل ظریف الکترومغناطیسی - که توسط نیکولا تسلا در دهه 1880 کشف شد - انرژی همه چیز را از یخچال های خانگی و تهویه مطبوع گرفته تا تسمه نقاله های صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی تامین می کند. امروزه موتورهای AC بیش از 90 درصد کل انرژی مصرفی موتور الکتریکی بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA) در سراسر جهان.

این راهنما هر لایه از نحوه کار موتورهای AC را توضیح می دهد: فیزیک پشت آنها، اجزای کلیدی داخل آنها، انواع مختلف موجود، نحوه اندازه گیری راندمان، و نحوه انتخاب موتور مناسب برای یک برنامه خاص.

اصل اصلی: میدان های مغناطیسی دوار

اصل کارکرد اساسی موتور الکتریکی AC، القای الکترومغناطیسی است - یک میدان مغناطیسی در حال تغییر، جریان الکتریکی را در یک هادی مجاور القا می کند، که سپس نیرویی را تجربه می کند. هنگامی که جریان متناوب از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور که در اطراف دور موتور چیده شده‌اند جریان می‌یابد، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که به طور پیوسته با سرعتی که توسط فرکانس منبع تعیین می‌شود می‌چرخد. در کشورهایی که از توان 60 هرتز استفاده می کنند (مانند ایالات متحده)، این میدان برای یک موتور دو قطبی با سرعت 3600 دور در دقیقه می چرخد.

این میدان دوار موتور پشت موتور است. روتور - قسمت متحرکی که در داخل استاتور قرار می گیرد - میدان مغناطیسی را می بیند که همیشه یک قدم جلوتر از آن است، مانند هویج روی چوب. روتور دائماً میدان را تعقیب می کند و این تعقیب چیزی است که چرخش مکانیکی و گشتاور مفید ایجاد می کند.

در اکثر موتورهای AC هیچ ارتباط فیزیکی بین استاتور و روتور وجود ندارد. انتقال انرژی کاملاً الکترومغناطیسی است، به همین دلیل است که موتورهای AC در مقایسه با موتورهایی که به برس ها و کموتاتورها متکی هستند، می توانند به طور قابل توجهی بادوام و کم تعمیر باشند.

اجزای کلیدی موتور الکتریکی AC

یک موتور AC شامل چهار جزء اصلی است: استاتور، روتور، یاتاقان ها و محفظه که هر کدام نقش مشخصی در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی دارند.

1. استاتور

استاتور قاب بیرونی ثابت موتور است. این شامل یک هسته آهنی چند لایه با سیم پیچ های مسی است که در مجموعه هایی به نام سیم پیچی چیده شده اند. هنگامی که جریان AC از این سیم پیچ ها عبور می کند، میدان مغناطیسی دوار را ایجاد می کند. در موتورهای سه فاز، سه مجموعه سیم‌پیچ 120 درجه جابجا می‌شوند، به همین دلیل است که موتورهای AC سه فاز میدان چرخشی به خصوص صاف و یکنواختی ایجاد می‌کنند.

2. روتور

روتور در داخل استاتور قرار می گیرد و قسمت چرخان موتور است. در یک موتور القایی، روتور حاوی میله‌های رسانا (اغلب آلومینیوم یا مس) است که در یک هسته آهنی چند لایه جاسازی شده‌اند. میدان مغناطیسی دوار از استاتور جریان هایی را در آن میله ها القا می کند و میدان مغناطیسی خود روتور را ایجاد می کند که با میدان استاتور تعامل می کند و گشتاور تولید می کند. در موتورهای سنکرون، روتور ممکن است دارای آهنرباهای دائمی یا قطب های تحریک شده با DC باشد.

3. بلبرینگ

یاتاقان ها محور روتور را پشتیبانی می کنند و به آن اجازه می دهند آزادانه با حداقل اصطکاک بچرخند. اکثر موتورهای AC از بلبرینگ یا رولبرینگ روغن کاری شده با گریس استفاده می کنند. شرایط یاتاقان عامل اصلی خرابی موتور در تنظیمات صنعتی است - فواصل روانکاری مناسب می تواند عمر بلبرینگ را بیش از بیش از حد افزایش دهد. 50% .

4. محفظه و خنک کننده

محفظه موتور از قطعات داخلی در برابر گرد و غبار، رطوبت و آسیب های مکانیکی محافظت می کند. محفظه های TEFC (فن خنک کننده کاملا محصور شده) از رایج ترین موارد در مصارف صنعتی هستند. یک فن خارجی که روی شفت نصب شده است، هوا را روی پره های خنک کننده روی سطح محفظه به گردش در می آورد و از تجمع گرما جلوگیری می کند که در غیر این صورت عایق را تخریب کرده و طول عمر موتور را کاهش می دهد.

انواع موتورهای الکتریکی AC: القایی در مقابل سنکرون

دو دسته اصلی موتورهای AC موتورهای القایی و موتورهای سنکرون هستند - آنها عمدتاً در نحوه تعامل روتور با میدان مغناطیسی دوار استاتور متفاوت هستند.

جدول 1: مقایسه موتورهای القایی و موتورهای سنکرون در پارامترهای کلیدی عملکرد.

موتورهای القایی: اسب های کار صنعت

موتورهای القایی پرکاربردترین نوع موتورهای AC در سطح جهان هستند که نشان دهنده مقدار تخمینی است 96٪ از تمام تاسیسات موتور صنعتی . آنها خود راه انداز، مستحکم هستند و عملاً به تعمیر و نگهداری فراتر از تعویض بلبرینگ نیاز ندارند. نام "القایی" به این واقعیت اشاره دارد که جریان روتور به صورت الکترومغناطیسی القا می شود - روتور منبع تغذیه جداگانه ای ندارد.

یک مفهوم کلیدی در عملکرد موتور القایی است لغزش - تفاوت بین سرعت همزمان میدان مغناطیسی و سرعت واقعی روتور. لغزش معمولاً 2 تا 5 درصد تحت بار کامل است. بدون لغزش، هیچ حرکت نسبی بین روتور و میدان دوار وجود نخواهد داشت و بنابراین هیچ جریان القایی و گشتاور وجود نخواهد داشت. لغزش عیب نیست. یک ویژگی ضروری است.

موتورهای سنکرون: کنترل دقیق سرعت

موتورهای سنکرون دقیقاً با سرعت سنکرون مشخص شده توسط فرکانس تغذیه و تعداد قطب ها کار می کنند. موتورهای سنکرون آهنربای دائم مدرن (PMSM)، همراه با درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، به طور فزاینده‌ای در کاربردهای با راندمان بالا مانند کشش خودروهای الکتریکی، سیستم‌های سروو و فن‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند به بازده بالاتری دست یابند. 97% در طیف وسیعی از سرعت

موتورهای AC تک فاز در مقابل سه فاز

موتورهای AC تک فاز در لوازم خانگی کوچک استفاده می شوند، در حالی که موتورهای سه فاز بر کاربردهای صنعتی غالب هستند، زیرا آنها قدرتمندتر، کارآمدتر و ذاتا خود راه انداز هستند.

منبع تغذیه تک فاز به تنهایی نمی تواند یک میدان مغناطیسی دوار واقعی ایجاد کند - یک میدان ضربانی تولید می کند. برای ساخت موتور تک فاز خود راه انداز، سازندگان یک سیم پیچ استارت یا خازن اضافه می کنند که تغییر فاز ایجاد می کند و اثر چرخش را شبیه سازی می کند. انواع تک فاز متداول عبارتند از:

• موتورهای استارت خازن: از یک خازن به صورت سری با سیم پیچ شروع استفاده کنید. گشتاور راه اندازی بالا مورد استفاده در کمپرسورها، پمپ ها و ابزار برقی.
• موتورهای خازنی: خازن را در طول کار معمولی در مدار نگه دارید و ضریب توان را بهبود می بخشد. رایج در فن های HVAC.
• موتورهای قطب سایه دار: ساخت بسیار ساده با یک حلقه مسی سایه بر روی هر قطب استاتور. راندمان پایین (~20-30%)، محدود به وسایل کوچک مانند پنکه های حمام و یخچال های کوچک.
• موتورهای فاز اسپلیت: برای ایجاد اختلاف فاز از دو سیم پیچ با امپدانس های مختلف استفاده کنید. گشتاور راه اندازی متوسط، مورد استفاده در ماشین های لباسشویی و آسیاب های کوچک.

موتورهای سه فاز یک میدان مغناطیسی چرخش طبیعی را از سه شکل موج جریان با فاصله 120 درجه ایجاد می کنند. این باعث می‌شود که بدون سیم‌پیچ‌های کمکی راه‌اندازی کنند و گشتاور بسیار نرم‌تری به آن‌ها بدهد. یک موتور سه فاز 10 اسب بخاری از نظر فیزیکی کوچکتر و خنک تر از یک واحد تک فاز معادل آن است.

نحوه کنترل سرعت و گشتاور در موتورهای AC

سرعت سنکرون یک موتور AC توسط دو عامل تعیین می شود: فرکانس تغذیه و تعداد قطب های مغناطیسی - و عملی ترین راه برای تغییر سرعت استفاده از درایو فرکانس متغیر (VFD) است.

فرمول سرعت همزمان:

Ns = (120 × f) / P

کجا Ns سرعت همزمان در RPM است، f فرکانس عرضه بر حسب هرتز است و P تعداد قطب ها است. یک موتور چهار قطبی روی منبع تغذیه 60 هرتز با سرعت سنکرون 1800 RPM کار می کند (سرعت واقعی روتور ~ 1740-1770 RPM با لغزش).

VFD ها فرکانس تامین ثابت را به یک خروجی فرکانس متغیر تبدیل می کنند و امکان کنترل سرعت صاف را از نزدیک به صفر تا بسیار بالاتر از سرعت پایه فراهم می کنند. این امر پیامدهای صرفه جویی انرژی زیادی دارد: طبق گفته وزارت انرژی ایالات متحده، افزودن VFD به پمپ یا موتور فن که با 80 درصد سرعت کامل کار می کند، مصرف انرژی را تقریباً کاهش می دهد. 49% در مقایسه با عملکرد با سرعت ثابت با کنترل دریچه گاز، زیرا قدرت با مکعب سرعت مقیاس می شود.

گشتاور در یک موتور القایی AC با مجذور ولتاژ تغذیه متناسب است و با لغزش رابطه معکوس دارد. در شرایط عادی، گشتاور با افزایش بار (و لغزش افزایش می‌یابد) افزایش می‌یابد، تا حداکثری به نام گشتاور شکست، که بیش از آن موتور متوقف می‌شود.

کلاس های راندمان موتور AC توضیح داده شده است

راندمان موتور AC در سطح بین‌المللی تحت چارچوب IE (کارایی بین‌المللی) طبقه‌بندی می‌شود که از IE1 (استاندارد) تا IE5 (فوق العاده پریمیوم) را شامل می‌شود، در حال حاضر IE3 حداقل استاندارد قانونی در بسیاری از کشورها است.

جدول 2: کلاس های راندمان IEC IE برای موتورهای AC، مقادیر تقریبی برای یک موتور 4 قطبی 11 کیلوواتی در بار کامل.

ارتقاء از یک موتور IE1 به یک موتور IE3 در یک عملیات صنعتی 24/7 با استفاده از یک پمپ 22 کیلوواتی می تواند باعث صرفه جویی بیشتر شود. 3000 کیلووات ساعت در سال . با نرخ برق صنعتی 0.08 دلار در کیلووات ساعت، که سالانه 240 دلار است - با دوره بازگشت سرمایه که به ندرت از سه سال بیشتر می شود.

کاربردهای رایج موتورهای الکتریکی AC

موتورهای الکتریکی AC تقریباً در هر بخش از اقتصاد مدرن استفاده می شود - از سیستم های HVAC مسکونی با توان کمتر از 1 کیلووات تا کمپرسورهای صنعتی بیش از 10 مگاوات.

• سیستم های HVAC: تهویه مطبوع، پمپ های حرارتی و فن های تهویه تقریباً منحصراً به موتورهای القایی تک فاز یا سه فاز متکی هستند. موتور کمپرسور سیستم هوای مرکزی معمولاً 3-5 کیلو وات مصرف می کند.
• پمپ ها و فن های صنعتی: بزرگترین دسته استفاده از موتور در سراسر جهان. پمپ های گریز از مرکز در تصفیه آب، فرآوری شیمیایی و پالایش نفت از موتورهای القایی سه فاز بزرگ استفاده می کنند.
• نوار نقاله و بالابر: موتورهای القایی سه فاز جفت شده با گیربکس ها مواد را در کارخانه ها، انبارها و عملیات معدن جابجا می کنند.
• وسایل نقلیه الکتریکی: خودروهای برقی مدرن عمدتاً از موتورهای AC سنکرون مغناطیسی دائمی به دلیل چگالی توان بالا و محدوده کارایی گسترده خود استفاده می کنند. موتورهای کششی در خودروهای برقی مسافربری معمولاً 100 تا 300 کیلووات پیک تولید می کنند.
• لوازم خانگی: ماشین‌های لباسشویی، کمپرسورهای یخچال، پمپ‌های ماشین ظرفشویی و پنکه‌های سقفی همگی از موتورهای AC کوچک استفاده می‌کنند که بیشتر آنها کمتر از 500 وات است.
• ماشین ابزار: مراکز ماشینکاری CNC از موتورهای AC سنکرون درجه سروو برای کنترل دقیق سرعت و موقعیت استفاده می کنند.

نحوه خواندن پلاک موتور AC

هر موتور AC دارای یک پلاک نام است که شرایط دقیق الکتریکی و مکانیکی را مشخص می کند که تحت آن به طور ایمن با عملکرد نامی کار می کند - درک این مقادیر برای نصب صحیح و عیب یابی ضروری است.

• HP یا کیلو وات: قدرت شفت خروجی در بار کامل. یک موتور 10 اسب بخار (7.46 کیلووات) آن را در شفت ارائه می دهد. ورودی الکتریکی به دلیل تلفات بیشتر خواهد بود.
• ولتاژ / هرتز: ولتاژ و فرکانس تغذیه موتورهای دو ولتاژ (مثلاً 230/460 ولت) را می توان برای منابع مختلف سیم کشی کرد.
• FLA (آمپر بار کامل): جریان کشیده شده در بار و ولتاژ نامی. برای تنظیم اندازه سیم و تنظیمات حفاظت از اضافه بار استفاده می شود.
• دور در دقیقه: سرعت پلاک نام، سرعت روتور در بار کامل است که کمی کمتر از سرعت سنکرون برای موتورهای القایی است.
• SF (سرویس فاکتور): یک ضریب که نشان می‌دهد موتور می‌تواند به طور مداوم چقدر فراتر از بار پلاک نام را تحمل کند. SF 1.15 به معنای ظرفیت اضافه بار 15٪ است.
• کلاس عایق: درجه حرارت عایق سیم پیچ. کلاس F (155 درجه سانتیگراد) و کلاس H (180 درجه سانتیگراد) در موتورهای مدرن رایج ترین هستند.

سوالات متداول در مورد موتورهای الکتریکی AC

نتیجه گیری

موتورهای الکتریکی متناوب از طریق یک فرآیند الکترومغناطیسی بسیار ساده اما بسیار مؤثر کار می کنند: جریان متناوب یک میدان مغناطیسی چرخشی در استاتور ایجاد می کند که باعث القای جریان در روتور و تولید گشتاور می شود. این اصل که از زمان طرح های اولیه تسلا تغییر نکرده است، اکنون بیش از نیمی از کل برق مصرفی در کشورهای صنعتی را هدایت می کند.

درک تفاوت بین موتورهای القایی و سنکرون، درک نقش لغزش، دانستن نحوه خواندن پلاک نام، و تشخیص اینکه چه زمانی یک VFD می تواند در مصرف انرژی صرفه جویی کند، مهارت های عملی هستند که مستقیماً به انتخاب تجهیزات بهتر، هزینه های عملیاتی کمتر و عمر طولانی تر موتور ترجمه می شوند.

چه در حال انتخاب یک موتور برای نصب جدید، تشخیص عیب یا صرفاً در تلاش برای درک ماشین‌هایی باشید که زیرساخت‌های مدرن را فعال نگه می‌دارند، اصولی که در اینجا به آنها پرداخته می‌شود، یک پایه محکم و عملی را فراهم می‌کند.